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近来,由于人类活动而引起全球大面积土地的自然氮沉降和酸沉降增加。这些环境因子的巨大改变势必对土壤有机碳矿化产生的影响,进而影响区域的碳循环和准确估算区域森林覆盖对全球碳平衡的贡献。本文以南亚热带鼎湖山代表性的森林类型季风常绿阔叶林(简称季风林)、针阔叶混交林(简称混交林)和马尾松林(简称松林)土壤为研究对象,以区域环境变化对土壤有机碳的影响为主题,应用室内培养的方法(25±20℃,土壤含水率为最大持水率的56%)和HP4890D气相色谱仪测定研究了土壤有机碳矿化过程中CO2排放和CH4吸收/排放特征及氮沉降增加、磷淋失和模拟酸雨导致土壤酸化累积产生的影响,得到如下一些结果:
1、季风林、混交林和松林土壤培养52周的CO2-C排放总量分别为217.47±49.80、213.30±26.58和112.44±12.33mgkg-1干土,其中的大部分在培养的前2个月被排放。鼎湖山森林土壤矿化模式符合二库非线性动力学模型(thetwo-pool nonlinear kinetic model)。土壤有机碳的矿化动力学证明土壤惰性有机碳随森林由松林向季风林正向演替的进行而增加。
2、季风林、混交林和松林土壤培养52周的CH4累积排放量分别为-20.20±9.74(负值表示吸收)、-4.31±5.58和2.31±3.99ugkg-1干土(正值表示排放),而在第4~6周达到吸收累积量的最大值。土壤吸收CH4的能力和持续时间均以季风林最强(长),混交林次之,松林第三。
3、氮添加降低土壤CO2-C累积排放量和排放速率,且随氮添加量的增加该抑制作用越明显。2倍、10倍和50倍(有效含量)氮添加处理土壤培养45周的CO2-C累积排放量分别是季风林对照土壤的89.9%、86.1%和82.7%,松林对照土壤的76.5%、62.2%和54.1%,10倍氮添加处理土壤CO2-C累积排放量分别是混交林对照土壤的79.0%。但是,一定浓度的氮添加能在培养早期较短的时间内提高土壤CO2-C的排放速率。
4、氮添加抑制土壤吸收甲烷速率和数量。2倍、10倍和50倍氮添加处理土壤培养45周的CH4吸收总量分别是季风林对照土壤的32.0%、3.38%和-11.0%(负值表示排放),是松林对照土壤(1.83±1.49ugkg-1干土)的-210.4%、-97.3%和-104.9%,10倍氮添加处理土壤CH4吸收总量是混交林对照土壤(3.126±2.144ugkg-1干土)的8.19%。季风林土壤(可能还包括混交林土壤)吸收甲烷对氮添加浓度变化敏感,随氮添加浓度的增加而抑制作用增强,而松林土壤不敏感。
5、28周的培养,0.1倍和2倍磷添加处理使季风林、混交林和松林土壤CO2-C累积排放量分别是其对照土壤的102.8%、84.43%、82.4%(0.1倍)和109.1%、101.2%、107.2%(2倍)。磷添加处理提高培养土壤早期CO2-C排放速率,且随磷添加浓度的提高促进作用增强。有效磷含量低是外加磷促进鼎湖山森林土壤有机碳矿化释放CO2-C的原因。土壤矿物对磷的吸附是土壤矿化发生有效磷抑制的原因。
6、磷添加主要抑制土壤对CH4吸收,且磷浓度增加抑制作用增强。培养28周,0.1倍和2倍磷添加处理土壤吸收甲烷的量分别是松林、混交林和季风林对照土壤的69.9%、102.7%、66.3%(0.1倍)和-57.4%、22.4%、25.3%(2倍)。同样磷浓度处理对甲烷吸收的抑制作用由松林→混交林→季风林呈增强的趋势。
7、酸雨淋溶使土壤酸化累积程度提高,导致土壤pH值和土壤碳氮比呈显著下降趋势,土壤有机碳和全氮含量随土壤酸化累积程度的增加先增加后下降。土壤种植荷木比种植肖蒲桃和黄果厚壳桂更能减缓酸雨胁迫下土壤酸化的进程,而促进土壤碳、氮的流失。
8、一定程度的土壤酸化累积能提高培养土壤CO2-C排放速率,增加土壤CO2-C的排放量,当酸化累积超过某程度时,将抑制土壤CO2排放。65天的培养,pH值4.40、4.00、3.52和3.05模拟酸雨处理土壤CO2-C的累积排放总量分别是对照土壤(21.48mgCkg-1干土)的105.9%、116.4%、129.5%和94.2%。土壤CH4的排放随土壤酸化累积程度的加深而增加,65天的培养,pH值4.40、4.00、3.52和3.05模拟酸雨处理土壤CH4的累积排放总量分别是对照土壤(-18.97ugkg-1干土)的46.6%、42.7%、5.9%和-20.5%。土壤pH值不是造成不同累积酸化程度土壤CO2和CH4排放差异的直接原因,而是由酸化累积过程中导致的土壤碳、氮含量以及其它养分元素含量的差异造成的。
9、树木种类影响土壤有机碳的周转。种植肖蒲桃的土壤CO2排放显著大于种植荷木和黄果厚壳桂的土壤,种植肖蒲桃和黄果厚壳桂的土壤CH4吸收显著大于种植荷木的土壤。65d的培养,种植肖蒲桃、荷木和黄果厚壳桂的土壤CO2和CH4累积排放总量依次分别为28.20、23.91和21.00mgCkg-1干土和-12.012、-0.819和-15.360ugkg-1干土。肖蒲桃和黄果厚壳桂通过提高土壤碳氮含量,提高土壤CO2的排放和土壤对CH4的吸收。